專利名稱：一種用于超聲波電機(jī)的lc諧振驅(qū)動電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波電機(jī)，尤其涉及超聲波電機(jī)的驅(qū)動控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲波電機(jī)是近二十年來出現(xiàn)的ー種全新概念的驅(qū)動裝置，和傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，它具有功率密度大、無電磁干擾、低速大轉(zhuǎn)矩、動作響應(yīng)快、運行無噪聲、無輸入自鎖等特點，這些優(yōu)點使得超聲波電機(jī)在航空航天、機(jī)器人、精密加工設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、生物工程等高端運動控制領(lǐng)域及家用電器、汽車電子等普通運動控制領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。
目前，超聲波電機(jī)驅(qū)動控制器的體積較大，在一些應(yīng)用中受到很大的限制。文獻(xiàn)根據(jù)電機(jī)的容性負(fù)載特性，通過簡化超聲波電機(jī)的等效電路，提出了利用LC諧振的無變壓器式驅(qū)動電路，并進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[2]研究了諧振驅(qū)動電路的設(shè)計方法，說明了輸出信號中各次諧波幅值和能量比與驅(qū)動信號占空比和諧振周期之間的關(guān)系。上述文獻(xiàn)的研究為超聲波電機(jī)功率諧振式驅(qū)動電路的研究提供了較好基礎(chǔ)，但所給出的驅(qū)動電路只能使電機(jī)工作在預(yù)先設(shè)計的確定工作點，電機(jī)驅(qū)動電壓頻率等可控變量均不可調(diào)節(jié)，嚴(yán)重限制了該類電路的實際應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]在可調(diào)可控方面進(jìn)行了初歩探索，對選擇不同的電阻、電感值以實現(xiàn)頻率離線調(diào)節(jié)進(jìn)行了分析。但由于電路中的電感是功率電感，變電感值不易在線準(zhǔn)確實現(xiàn)，功率諧振式驅(qū)動電路的可調(diào)可控仍有待進(jìn)ー步研究。相關(guān)參考文獻(xiàn)如下[I]顧菊平，胡敏強(qiáng)，石斌，等.超聲波電機(jī)諧振升壓式驅(qū)動技術(shù)研究，中國電機(jī)エ程學(xué)報,2002，22 (8) :49-52.[2]李華峰，趙淳生.基于LC諧振的超聲電機(jī)驅(qū)動器的研究，中國電機(jī)工程學(xué)報，2005,25(23) :144-148.[3]甘云華，金龍，王心堅，等.超聲波電機(jī)自激振蕩驅(qū)動電路的變頻控制特性，中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28 (9) :93-96.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于超聲波電機(jī)的LC諧振驅(qū)動電路及其控制方法，用以解決現(xiàn)有驅(qū)動控制方法的效果不佳的問題。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的電路方案是一種用于超聲波電機(jī)的LC諧振驅(qū)動電路，驅(qū)動超聲波電機(jī)的A、B兩相橋式驅(qū)動電路的交流側(cè)均串設(shè)有串聯(lián)匹配電感，所述A、B兩相橋式驅(qū)動電路分別設(shè)置有用于調(diào)節(jié)對應(yīng)相橋式驅(qū)動電路直流母線電壓的Boost升壓電路，所述Boost升壓電路的功率開關(guān)管串聯(lián)有ー個ニ極管，所述ニ極管正極連接所述串聯(lián)匹配電感L與超聲波電機(jī)等效電容C的串聯(lián)點上。所述A、B兩相橋式驅(qū)動電路的開關(guān)管為M0SFET。本發(fā)明的方法方案是LC諧振驅(qū)動電路控制方法，固定串聯(lián)匹配電感的電感值，通過改變所述功率開關(guān)管的驅(qū)動信號頻率、占空比和周波數(shù)，使輸出波形可調(diào)。本發(fā)明根據(jù)超聲波電機(jī)的容性負(fù)載特性，通過串聯(lián)匹配電感，構(gòu)成由超聲波電機(jī)本體參與的LC諧振升壓的無變壓器式驅(qū)動電路。進(jìn)ー步，本發(fā)明提出了固定所有電路參數(shù)，只改變驅(qū)動信號頻率、占空比和諧振周波數(shù)的方法，實現(xiàn)對超聲波電機(jī)的驅(qū)動控制。采用USR30型超聲波電機(jī)，進(jìn)行了實驗驗證。


圖I是LC諧振驅(qū)動電路；圖2是電機(jī)諧振頻率與開關(guān)驅(qū)動頻率的關(guān)系；圖3是不同周波、不同占空比的仿真波形；圖4是超聲波電機(jī)驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)框圖；圖5是B相40 %占空比的驅(qū)動波形與諧振波形；
圖6是兩相實測波形。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)的說明。諧振電路實施例驅(qū)動超聲波電機(jī)的A、B兩相橋式驅(qū)動電路的交流側(cè)均串設(shè)有串聯(lián)匹配電感L，所述A、B兩相橋式驅(qū)動電路分別設(shè)置有用于調(diào)節(jié)對應(yīng)相橋式驅(qū)動電路直流母線電壓的Boost升壓電路，其特征在于，所述Boost升壓電路的功率開關(guān)管Q串聯(lián)有ー個ニ極管D1，ニ極管Dl正極連接所述串聯(lián)匹配電感L與電容C的串聯(lián)點上。超聲波電機(jī)(USM)在諧振頻率附近，可以認(rèn)為呈容性，即可等效為ー個電容C。本發(fā)明所述Boost升壓LC諧振驅(qū)動電路如圖I所示。由于MOSFET器件Q內(nèi)部有ー個反并聯(lián)體ニ極管，在電容C(即超聲波電機(jī))電壓反相時會通過此ニ極管放電，使得輸出電壓只有正半波。為了防止這種情況出現(xiàn)，在電路中串聯(lián)ー個超快恢復(fù)ニ極管，使得在開關(guān)斷開期間LC能形成完整的振蕩。開關(guān)是指功率開關(guān)管Q。電路工作原理為當(dāng)開關(guān)Q導(dǎo)通時，電源向電感L儲能；開關(guān)斷開時，電感中儲存的能量向電容C釋放并與其諧振，整個電路為帶初始條件的LC串聯(lián)諧振電路。Boost升壓單元提升電壓的關(guān)鍵原因有兩個一是電感L儲能后具有使電壓泵升的作用，ニ是電容C可將輸出電壓保持住，因此占空比的選擇對輸出電壓的幅值和有效值起關(guān)鍵作用。串聯(lián)匹配電感的選擇由下式確定
Γ , (I-D)2T2L = -----(I)
(2kπ)2 CΚ ノ式中，k為在關(guān)斷期間諧振的整周波個數(shù)，D為占空比，T為開關(guān)周期。方法實施例一旦匹配電感選定，LC諧振頻率就固定不變，通過調(diào)整驅(qū)動MOSFET的驅(qū)動信號頻率來改變諧振波形的占空比，不連續(xù)正弦波的等效效應(yīng)發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制目的。開關(guān)驅(qū)動信號頻率f與電機(jī)諧振頻率fUSK關(guān)系如下式(參看圖2)f =(2)根據(jù)式(1)、(2)可以看出，調(diào)節(jié)開關(guān)信號占空比D、開關(guān)信號頻率f和導(dǎo)通周波數(shù)k可以實現(xiàn)超聲波電機(jī)的調(diào)速控制。將上式等效變換為
權(quán)利要求
1.一種用于超聲波電機(jī)的LC諧振驅(qū)動電路，驅(qū)動超聲波電機(jī)的A、B兩相橋式驅(qū)動電路的交流側(cè)均串設(shè)有串聯(lián)匹配電感，所述A、B兩相橋式驅(qū)動電路分別設(shè)置有用于調(diào)節(jié)對應(yīng)相橋式驅(qū)動電路直流母線電壓的Boost升壓電路，其特征在于，所述Boost升壓電路的功率開關(guān)管串聯(lián)有ー個ニ極管，所述ニ極管正極連接所述串聯(lián)匹配電感L與超聲波電機(jī)等效電容C的串聯(lián)點上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種用于超聲波電機(jī)的LC諧振驅(qū)動電路，其特征在于，所述A、B兩相橋式驅(qū)動電路的開關(guān)管為M0SFET。
3.—種LC諧振驅(qū)動電路的控制方法，其特征在于，固定串聯(lián)匹配電感的電感值，通過改變所述功率開關(guān)管的驅(qū)動信號頻率、占空比和周波數(shù)，使輸出波形可調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于超聲波電機(jī)的LC諧振驅(qū)動電路及其控制方法，本發(fā)明根據(jù)超聲波電機(jī)的容性負(fù)載特性，通過串聯(lián)匹配電感，構(gòu)成由超聲波電機(jī)本體參與的LC諧振升壓的無變壓器式驅(qū)動電路。進(jìn)一步，本發(fā)明提出了固定所有電路參數(shù)，只改變驅(qū)動信號頻率、占空比和諧振周波數(shù)的方法，實現(xiàn)對超聲波電機(jī)的驅(qū)動控制。采用USR30型超聲波電機(jī)，進(jìn)行了實驗驗證。
文檔編號H02N2/14GK102694483SQ20121000890
公開日2012年9月26日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者劉兆魁, 史敬灼, 尤冬梅, 張瑞, 石靜 申請人:河南科技大學(xué)